HIDROGEOKIMIA KARST. Tjahyo Nugroho Adji KARST RESEARCH GROUP FAC. OF GEOGRAPHY--GADJAH MADA UNIVERSITY INDONESIA

Transkripsi

1 Serial Powerpoint Presentasi: Karst Hydrogeochemistry HIDROGEOKIMIA KARST Tjahyo Nugroho Adji KARST RESEARCH GROUP FAC. OF GEOGRAPHY--GADJAH MADA UNIVERSITY INDONESIA

2 Interaksi udara-batu gamping-airair air hujan dari udara dan jatuh ke permukaan proses fisik dan kimia yang melibatkan unsur gas, cair dan padatan perpindahan massa antara udara, air, dan batuan

3 Dikenal sebagai sistem batuan karbonat dan disebut sistem CO 2 -H 2 O-CaCO 3

4 dikenal Karst Dinamic System (KDS) proses yang terjadi di interface/batas adalah transfer massa atau difusi proses kimia lebih dominan terjadi di air

5 1. ketika terjadi hujan, gas karbondioksida (CO2) di atmosfer masuk ke dalam air melalui proses difusi

6 2. air yang mengandung CO 2 bersenyawa membentuk asam karbonat (carbonic acid) ) dengan reaksi kimia CO 2 (di air) + H 2 O H 2 CO 3, dan dapat dikatakan bahwa gas karbondioksida larut dalam air

7 3. H 2 CO3 merupakan asam kuat, maka dapat mengalami dissociation (perpecahan) yaitu yang pertama H 2 CO HCO 3- + H + dan yang kedua adalah HCO CO H + dengan proporsi yang kecil di atas ph 8,4 sehingga dapat diabaikan.

8 4. ketika air dan batuan karbonat berinteraksi, terjadi pelepasan ion dan kemudian terjadi reaksi pelarutan karbonat CaCO Ca 2+ + CO - 3

9 5. CO 3- bergabung dengan ion H + yang lepas pada reaksi (3) sehingga CO H HCO - 3 CaCO3

10

11 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca HCO - 3

12 SISTEM HIDROLOGI KARST

13

14 Karst Water Balance

15 QB = Qa + QI + Qd + QR - Qs QB= total output Qa = aliran permukaan non-karst (allogenic) QI = run-off dari internal karst Qd = infiltrasi yang bersifat diffuse QR= sungai permukaan dalam karst (autogenik) QS = simpanan di akuifer

16 QB = Qa + QI + Qd + QR - Qs QB= total output Qa = aliran permukaan non-karst (allogenic) QI = run-off dari internal karst Qd = infiltrasi yang bersifat diffuse QR= sungai permukaan QS = simpanan di akuifer

17 2 komponen utama airtanah karst

18 Conduit Flow

19

20

21 Epikarst sebagai tandon utama

22

23 Pelarutan Batuan Karbonat Secara umum, dari proses kimia diatas, tampak bahwa batuan gamping akan larut dalam air yang asam (H 2 CO 3 ) Air yang asam dalam hal ini adalah air yang undersaturated (meteoric water) thd. mineral gampingan (kalsit, dolomit, dll) Tingkat pelarutan turun secara drastis pada tingkat kejenuhan sekitar 65-90% (Fetter, 1994)

24 Max. Laju pelarutan (g/dt/cm 2 ) Kejenuhan (%)

25

26 Faktor-faktornya 1. Kandungan CO 2 dan suhu dalam air

27 Gas CO 2 masuk ke air melalui interface udara-air air dan membentuk CO 2 di larutan CO 2 (gas) ===== CO 2 (aqeous) CO 2 terlarut kemudian bereaksi dengan air membentuk asam karbonat CO 2 (aqeous) + H 2 O ==== H 2 CO 3 Jika kita ingat Henry s Law, bahwa kemudahan larut gas karbondioksida di air akan sebanding dengan tekanan parsialnya dan berbanding terbalik dengan suhu, maka KCO 2 = [H 2 CO 3 ] /PCO 2 PCO 2 adalah tekanan parsial gas karbondioksida, sehingga konsentrasi CO 2 terlarut akan naik seiring dengan naiknya PCO 2 pada fase gas Akan tetapi, CO 2 terlarut dan PCO 2 akan turun seiring dengan naiknya temperatur

28 Henry s Law CO 2 + H 2 O ==== H 2 CO 3 K CO 2 = [H 2 CO 3 ] / PCO 2 [H 2 O] di air [H 2 O] = 1, diabaikan, sehingga [H 2 CO 3 ] = KCO 2. PCO 2 KCO 2 = [H 2 CO 3 ] / PCO (1) H 2 CO3 = PCO 2. KCO 2. (2)

29 H 2 CO 3 ===== HCO 3- + H + K 1 = [HCO 3- ] [H + ] / [H 2 CO 3 ].(3) Jika rumus 1 dikombinasikan dengan rumus 3 rumus untuk mencari K 1 diatas,maka tekanan parsiil gas karbondioksida : PCO 2 = [HCO 3- ] [H + ] / K 1 KCO 2 Secara teoritis maka tekanan parsiil gas karbondioksida adalah tekanan pada fase gas yang dianggap berada pada kondisi setimbang/equilibrium dengan sampel air yang dianalisis. Sehingga, tidak penting untuk mengetahui tekanan gas karbondioksida di udara pada saat sampel diambil

30 Sehingga, jika suhu air naik, maka tingkat pelarutan batuan karbonat akan turun, dan sebaliknya, karena : Ingat hukum Raoult-Dalton untuk kesetimbangan fase udara-fase air : C A = P A /(R.T) dimana C A = konsentrasi larutan P A = tekanan parsial gas di larutan R = universal gas constant T = suhu Sehingga, jika 1/RT dianggap sebagai Z A dimana Z A adalah koefisien fugasitas larutan pada fase udara, maka C A = P A. Z dan Z A A = 1/RT,, maka koefisien fugasitas berbanding terbalik dengan suhu

31 CO 2 + H 2 O ==== H 2 CO ekuilibriumnya : CO 3, C A = P A. Z A H 2 CO 3 = PCO 2. KCO 2 Sehingga jelas bahwa konsentrasi H 2 CO 3 dalam air akan turun seiring dengan naiknya suhu, dan sebaliknya

32

33

34

35

36

37 2. ph

38

39 Berarti : semakin kecil ph, maka proses pelarutan akan semakin intensif Tetapi faktor ini tidak berdiri sendiri, karena juga berasoiasi dengan komponen lain seperti : Suhu CO 2 terlarut Asal air

40 3. Pengaruh dari ion lain Pada sistem KDS ion mayor selain Ca 2+ dan HCO - 3 biasanya juga terlarut dalam air, biasanya Mg 2+ punya proporsi yang cukup tinggi, sementara SO 2-4 biasanya kecil Ion alkali bahkan sering dijumpai pada sistem ini jika lokasinya dekat dengan laut atau danau yang asin di daerah arid Pengaruh ion-ion tersebut adalah terhadap kemudahan untuk melarutkan batuan gamping (solubility)

41 Penambahan 0,1 % larutan NaCl (ion lain) meningkatkan pelarutan sebesar 10-20%

42 Contoh di alam

43 Penambahan ion sejenis menurunkan tingkat pelarutan

44 Hujan Menambah proses pelarutan Sandstone Presipitasi mineral 2 yg. mengandung CO 3- dan Ca 2+ Cl-, Na +, K +, SO 4 2- NO 3-, Ca 2+, HCO 3 - Memperlambat Proses pelarutan Ca 2+ dan HCO 3- sudah jenuh dalam air dan memperlambat dissolution process

45 4. Mixing Teori percampuran (mixing) pertama kali diperkenalkan oleh Bogli (1964) yaitu jika ada dua air karst yang sama-sama sudah jenuh terhadap kalsit, maka jika bercampur akan menghasilkan air yang agresif terhadap batuan gamping Adanya tenaga mekanis karena ada dua air yang bercampur memiliki PCO 2 yang berbeda Contoh 1) air di gua dan 2)mixing dengan air laut

46 Mixing perkembangan gua sangat cepat pada zone sedikit dibawah muka air, dimana terjadi mixing antara air vadose yang jenuh CO 2 dan air freatik yang punya CO 2 sedikit &sudah jenuh terhadap kalsit akan menghasilkan air yang agresif terhadap kalsit vadose (air perkolasi dari atas menuju muka air) air freatik (air pada zone jenuh air)

47 Mixing dengan air laut Garis A,B,dan C pada tekanan parsial CO 2 yang berbeda-beda

48 Tingkat pelarutan batuan karbonat Agresivitas airtanah karst : sifat mudah atau tidaknya air untuk melarutkan batuan karbonat Dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti yang sudah dijelaskan diatas Ingat konsep equilibrium reaksi kimia

49 Kandungan bikarbonat terlarut 1,9 3,9 Bereaksi cepat 5,8 7,0 7,8 8,0 8,1 8,16 Bereaksi lambat

50 Equilibrium dissolution precipitation

51 Pendekatan Kinetik Ingat hukum termodinamika Law of mass action bahwa tingkat reaksi akan sebanding terhadap konsentrasi efektif dari ion yang bereaksi A + 2B = C, maka rate = [A] [B] 2 atau rate = k [A] [B] 2

52 Konsentrasi aa + bb cc + dd A B C D Waktu Reaktan A dan B bereaksi menghasilkan produk C dan D Konsentrasi A dan B menurun sampai mencapai nilai yang tidak berubah menurut waktu Konsentrasi C dan D naik sampai mencapai nilai yang tidak berubah menurut waktu

53 Konsentrasi C D A B Waktu

54 Raksi tersebut berjalan terus sampai suatu ketika konsentrasi A, B, C, dan D mencapai konstant Jika kemudian rasio [C] c [D] d /[A] a [B] b diberi notasi K dan pada kondisi tersebut dinamakan equilibrium, maka K dikenal sebagai equilibrium constant K = [C] c [D] d (produk) [A] a [B] b (reaktan) [ ] bisa mol/liter atau yang lain atau bisa pula besaran aktivitas ion-nyanya

55 Equilibrium konstant bisa juga disebut sebagai rasio antara reaksi ke-kanankanan (forward reaction) dan reaksi ke-kirikiri (reverse reaction) Reaksi ke-kanankanan (fr) = k2 [A] a [B] b Reaksi ke-kirikiri (rr) = k1 [C] c [D] d Jika fr = rr, maka [C] c [D] d = k1 = K [A] a [B] b = k2 Angka K tergantung dari unit yang digunakan dan suhu air Nilai K untuk mineral-mineral yang mudah larut dikenal sebagai solubility product atau Ksp Biasa disajikan dalam nilai logaritma Ksp kalsit = 10-8,48 Ksp gipsum = 10-4,6 dst

56 Hubungan antara Aktivitas Konsentrasi Ion [Ca 2+ ] = aktivitas ion kalsium (Ca 2+ ) = konsentrasi ion kalsium (mmol/liter) Pada kenyataannya, konsentrasi efektif suatu ion di air berbeda dengan konsentrasi aktualnya, karena ada perbedaan jumlah valensi (+ atau -) Konsentrasi efektif dari suatu ion terlarut dikenal sebagai aktivitas ion Rasio antara aktivitas ion dan konsentrasi ion dikenal sebagai koefisien aktivitas (γ) (α) = γ. m, dimana γ = koefisien aktivitas m = konsentasi dalam molalitas

57 Debye-Huckle Theory Teori ini mengemukakan model bahwa koefisien aktivitas dari suatu ion dapat dihitung atas dasar efek dari interaksi ion-ion terlarut log γi = (-Azi 2. I) / (1+Ba o I) + bi dimana A = konstanta tergantung nilai suhu dan tekanan zi = valensi ion yang akan dicari I = kekuatan ion, dicari dengan rumus I = 1/2 Σ (mi.zi) 2, m = molalitas; z = valensi B = konstanta tergantung suhu dan tekanan ao= tetapan atas dasar experimen

58 Indeks kejenuhan (SI) terhadap mineral CaCO 3 Ingat bahwa rekasi proses pelarutan kalsit adalah : CaCO3 Ca 2+ + CO - 3 Jika kita sudah tahu koefisien aktivitas dari Ca 2+ dan CO 3-, ingat : [CO 3 ] =[HCO 3 ) K2 / [H + ] dan KSp kalsit pada 25 o C adalah , maka pada T larutan sampel dapat didekati dengan formula: ln KT2-ln KT1 = (H o R / R) (1/T1 1/T2), kemudian SI terhadap CaCO 3 dapat dicari, karena menurut Davis: SI kalsit = KIAP kalsit/ksp kalsit, sementara : KIAP kalsit = [CO 3 ] x [Ca 2+ ]

59

60 Klasifikasi Tingkat Pelarutan Dengan SI Fase Pelarutan atau Pengendapan terhadap Mineral Karbonat (CaCO 3 ) Nilai SI Klasifikasi Proses Hidrogeokimia Negatif (<0) Tidak jenuh (undersaturated) Masih mampu melarutkan kalsit 0 Seimbang (equilibrium) Setimbang Positif (>0) Jenuh (supersaturated) Mengkristal /membentuk padatan (solid)

61 Klasifikasi agresivitas menggunakan diagram agresivitas kimia pada sistem ph T o C CaCO 3 derajat keasaman-suhu-kesadahan Menghitung selisih ph ( ph) dan selisih TAC ( TAC) tiap sampel searah aliran sungai bawah tanah TAC adalah nilai yang dimunculkan untuk mewakili kandungan CaCO 3 terlarut dengan asumsi bahwa 1 TAC = 10 mg/lt CaCO3

62

63 Kelas agresivitasnya Kelas 1 : saturated water (air jenuh) Kelas 2 : moderately saturated water (air agak jenuh) Kelas 3 : slightly saturated water (air sedikit jenuh) Kelas 4 : equilibriated water (air setimbang) Kelas 5 : slightly aggressive water (air sedikit agresiv) Kelas 6 : moderately agresive water (air agak agresiv) Kelas 7 : aggressive water (air agresiv)

64

65

66 Analisis hidrokemograf

67

68 Analisis hidrograf pemisahan base flow sungai bawah tanah

69

70 Notes from contributors: Tambahan pustaka-pustaka atau referensi-referensi ini bisa dibaca untuk dijadikan rujukan bagi artikel/powerpoint ini dan untuk memperkaya pengetahuan system karst tropis, terkhusus di Indonesia These additional libraries or references can be read for reference to this article and to enrich the knowledge of tropical karst hydrological systems, especially in Indonesia untuk full paper silahkan mengunjungi Adji, T. N., Spatial and Temporal Variation of Hydrogeochemistry and Karst Flow Properties to Characterize Karst Dynamic System in Bribin Underground River, Gunung Kidul Regency, DIY Province Java, Indonesia. Summary, Dissertation in Geography Study Program. Graduate School of Geography, Gadjah Mada University, Yogyakarta Adji, T.N. 2012, Wet Season Hydrochemistry of Bribin River in Gunung Sewu Karst, Indonesia, Environmental Earth Sciences, Vol. 67: pp Adji, T.N. dan Haryono, E., Konflik Antara Pemanfaatan Batugamping dan Konservasi Sumberdaya Air Das Bribin di Wilayah Karst Gunung Sewu, Makalah Lokakarya Nasional Menuju Pengelolaan Sumberdaya Wilayah Berbasis Ekosistem Untuk Mereduksi Konflik Antar Daerah, Yogyakarta,, Fakultas Geografi, Universitas Gadjah Mada, September 1999 Adji, T.N., 2005, Agresivitas Airtanah Karst Sungai Bawah Tanah Bribin, Gunung Sewu, Indonesian Cave and Karst Journal, Vol. 1 No1, HIKESPI Adji, T.N., Variasi Spasial-Temporal Hidrogeokimia dan Sifat Aliran Untuk Karakterisasi Sistem Karst Dinamis di Sungai Bawah Tanah Bribin, Kabupaten Gunung Kidul, DIY, Disertasi, Fakultas Geografi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Adji, T.N., 2011, Upper catchment of Bribin underground river hydrogeochemistry (Gunung Sewu Karst, Gunung Kidul, Java, Indonesia) Proceeding of Asian Trans-Disclipinary Karst Conference, Yogyakarta

71 Adji, T.N., Pemisahan aliran dasar bagian hulu Sungai Bribin pada aliran Gua Gilap, di Karst Gunung Sewu, Gunung Kidul, Yogyakarta, Jurnal Geologi Indonesia, Vol. 6 No. 3 September 2011 Adji, T.N., 2013, Hubungan Karakter Aliran dan Sifat Kimia Mataair Petoyan Untuk Karakterisasi Akuifer Karst, Hibah Dana Masyarakat Fak. Geografi UGM Adji, T.N., 2014, Analisis Hidrograf Aliran Untuk Penentuan Derajat Karstifikasi Pada Beberapa Kondisi Mataair dan Sungai Bawah Tanah Karst, Hibah Dana Masyarakat Fak. Geografi UGM Adji, T.N., 2015, Sebaran Spasial Tingkat Karstifikasi Area Pada Beberapa Mataair dan Sungai Bawah Tanah Karst Menggunakan Rumus Resesi Hidrograph Malik and Vojtkova (2012), Hibah BOPTN Fak. Geografi UGM Adji, T.N., Sebaran Spasial Tingkat Karstifikasi Area Pada Beberapa Mataair dan Sungai Bawah Tanah Karst Menggunakan Rumus Resesi Hidrograph Malik and Vojtkova (2012), Laporan Penelitian, Hibah BOPTN Fak. Geografi UGM, Jogjakarta Adji, T.N., 2016, Distribusi Spasial Respon Debit Mataair dan Sungai Bawah Tanah Terhadap Hujan Untuk Prediksi Kapasitas Penyimpanan Air oleh Akuifer Karst di Sebagian Wilayah Karst di Pulau Jawa, Hibah BOPTN Fak. Geografi UGM Adji, T.N., Bahtiar, I.Y., Rainfall discharge relationship and karst flow components analysis for karst aquifer characterization in Petoyan Spring, Java, Indonesia, Environmental Earth Sciences, 75:735 Adji, T.N., Cahyadi, A., 2016, Pentingnya Monitoring Parameter-Parameter Hidrograf Dalam Pengelolaan Airtanah di Daerah Karst, Seminar Nasional Ekohidrolika APCE-UNESCO, Jogjakarta, Oktober 2016 Adji, T.N., Haryono, E., Fatchurrohman, H., Oktama, R., Diffuse flow characteristics and their relation to hydrochemistry conditions in the Petoyan Spring, Gunungsewu Karst, Java, Indonesia, Geosciences Journal, Vol. 20, No. 3, p , June 2016 Adji, T.N., Haryono, E., Woro, S, 1999, Kawasan Karst dan Prospek Pengembangannya di Indonesia, Seminar PIT IGI di Universitas Indonesia, Oktober 1999 Adji, T.N., Hendrayana, H., Sudarmadji, E., Woro, S, 2009, Diffuse Flow Separation Within Karst Underground River at Ngreneng Cave, Proceeding of International Conference Earth Science and Technology, 6-7 Aug 2009, Yogyakarta

72 Adji, T.N., Misqi, M., 2010, The Distribution of Flood Hydrograph Recession Constant for Characterization of Karst Spring and Underground River Flow Components Releasing Within Gunung Sewu Karst Region, Indonesian Journal of Geography, XLII(1) Adji, T.N., Mujib, M.A., Fatchurohman, H., Bahtiar, I.Y., 2014, Analisis Tingkat Perkembangan Akuifer Karst di Kawasan Karst Gunung Sewu, Daerah Istimewa Yogyakarta dan Karst Rengel, Tuban, Jawa Timur Berdasarkan Analisis Hidrograf, Prosiding PIT IGI ke-17, UNY, Jogjakarta, 15 Nov 2014 Adji, T.N., Rahmawati, N., 2010, The Contribution of CO 2 Content in Rainfall to Dissolution Process in Karst Area (Case Study In Bribin Underground River), The Proceeding of Technology cooperation and economic benefit of reduction of GHG emissions in Indonesia" held on 1-2 November 2010 in Hamburg Adji, T.N., Sudarmadji, Suprojo, S.W., Hendrayana, H., Hariadi, B., The Distribution of Flood Hydrograph Recession Constant of Bribin River for Gunung Sewu Karst Aquifer Characterization, Proceeding of International Symposium on Earth Resources and Geological Engineering Educational, Dec 2007, Jogjakarta Brunsch A, Adji, TN, Stoffel D, Ikhwan M, Oberle P, Nestmann F (2011) Hydrological assessment of a karst area in Southern Java with respect to climate phenomena, Proceeding of Asian Trans-Disciplinary Karst Conference, Yogyakarta Hariadi, B., Adji, T.N., 2009, Variasi Temporal Hidrogeokimia Tetesan dari Ornamen Drapery di Dalam Gua Gilap di Kawasan Karst Gunungsewu, Kabupaten Gunungkidul, DIY, Gunung Sewu-Indonesian Cave and Karst Journal, Vol 5 No 1, April 2009 Haryono, E, Adji, T.N., Widyastuti, W., 2009, Environmental Problems of Telaga (Doline Pond) in Gunungsewu Karst, Java Indonesia,, Proceeding 15th International Congress of Speleology, Volume II, UIS, Texas, pp Haryono, E. dan Adji, T.N Geomorfologi dan Hidrologi Karst. Yogyakarta: Kelompok Studi Karst, Fakultas Geografi, Universitas Gadjah Mada